Создание кристаллических решёток веществ при помощи программы 3-D моделирования «Компас-3D

Творческий проект

«Создание кристаллических решёток веществ при помощи

программы 3-D моделирования «Компас-3D»

Исполнитель: Маслов Иван, обучающийся 8Б класса

МКОУ «Черницынская СОШ» Октябрьского района Курской области

Руководитель: Пятницков С.В., педагог дополнительного образования МКОУ «Черницынская СОШ» Октябрьского района Курской области

2024

С

3
4
7
8 9
20
25 26
27
28

одержание

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………..

ГЛАВА I. Теоретический обзор материала по теме исследования

1.1. Кристаллические решётки ....……………………………………………………….…

1.2. Программа «Компас-3D» ………………...………………...…...………………...……

ГЛАВА II. Описание исследования и его результаты

2.1. Правила работы в программе «Компас-3D» …………………………………….…..

2.2. Конструирование элементов модели кристаллической решётки ……………….…

2.3. Технологическая карта на изготовление элементов модели кристаллической

решётки с использованием программы «Компас-3D». Экономическое обоснование …

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………...............................................

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………..

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В школьную программу с 8 класса вводятся несколько новых предметов. И химия в их числе. Пролистав учебник, натолкнулся на тему: «Атомно-молекулярное учение веществ». Конкретно – кристаллические решетки веществ. Эта тема по программе ещё не изучается. Однако, меня заинтересовала. Пролистав интернет-источники, понял, что для облегчения восприятия материала, необходимы наглядные пособия. Имеющиеся в кабинете химии оказались неполными и не универсальными. А купить самому очень дорого. А не проще ли и дешевле сделать самому?

Можно изготовить из разных материалов (дерево, металл, пластик и т. д.), вручную, на станках или используя передовые производственные технологии: 3D - моделирование и 3D - печать. Своей идеей я поделился с руководителем занятий по 3D – моделированию, которые я посещаю в этом учебном году. Так и родился этот проект.

Объектом исследования является программа «Компас-3D» применительно к созданию элементов моделей кристаллических решёток веществ.

Предмет исследования: методы построения элементов моделей кристаллических решёток веществ с помощью программы «Компас-3D».

Цель исследования: изучить основы 3D-моделирования и работы с программой «Компас-3D», спроектировать и напечатать наглядные пособия для уроков химии в виде элементов моделей кристаллических решёток веществ.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с понятием кристаллической решётки веществ и её значением на уроках химии

2. Сконструировать трехмерные модели элементов наглядных пособий кристаллических решёток ряда веществ с использованием программы «Компас-3D»

3. Напечатать на 3D-принтере все элементы наглядных пособий кристаллических решёток ряда веществ

4. Провести экономическое обоснование на изготовление моделей кристаллических решёток веществ с использованием программы «Компас-3D».

Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования:

1. Работа с различными источниками информации по теме исследования

2. Описание, систематизация материала, анализ, сравнение

3. Конструирование и 3D-печать.

Формы фиксирования результатов:

1. Скриншоты этапов работы

2. Описание последовательности выполнения моделей

3. Обработка полученных результатов моделирования и печать их.

Оснащение и оборудование: ноутбук с установленной программой «Компас-3D», принтер ZENIT 3D.

Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем, что 3D-моделирование является эффективным инструментом школьного обучения, способствует развитию межпредметных связей между математикой, химией, физикой, информатикой. Созданные элементы кристаллических решёток ряда веществ универсальны, что послужит основой для сборки разнообразных наглядных пособий, это в свою очередь поможет изучению данной темы на уроках.

 ГЛАВА I. Теоретический обзор материала по теме исследования

1.1. Кристаллические решётки

По агрегатному состоянию все вещества делятся на газообразные, жидкие и твёрдые. Твёрдые вещества обладают самыми разнообразными свойствами. Однако все тела, состоящие из твёрдых веществ, в отличие от газообразных и жидких, имеют определенную форму и объём, т. к. частицы, их образующие не могут свободно перемещаться относительно друг друга.

По внутреннему строению твёрдые вещества делятся на аморфные и кристаллические. Кристаллических веществ подавляющее большинство.

У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют строго упорядоченную внутреннюю структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.

Кристаллическая решетка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток (Рис. 1):

• молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),

• атомная (ковалентные связи),

• ионная (ионные связи),

• металлическая (металлические связи).

Рис. 1. Типы кристаллических решёток

В узлах молекулярной кристаллической решётки находятся молекулы веществ, между которыми действуют слабые межмолекулярные силы. При комнатной температуре вещества с молекулярной решёткой являются газами, легко кипящими жидкостями или легкоплавкими твёрдыми телами, они летучие, часто имеют запах. Многие вещества с молекулярной кристаллической решёткой способны к возгонке — переходу из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое. Например, «сухой лёд» — углекислый газ в твёрдом состоянии при обычных условиях переходит в газообразное состояние. К возгонке способен также кристаллический йод, который образует при этом фиолетовые пары. Молекулярная кристаллическая решётка характерна для благородных газов, водорода, азота, кислорода, йода, белого фосфора, воды, «сухого льда», большинства органических веществ.

В узлах атомной кристаллической решётки находятся атомы, связанные ковалентными полярными или неполярными связями. Атомная кристаллическая решётка характерна для углерода (алмаз, графит), бора, кремния, германия, оксида кремния (кремнезём, кварц, речной песок), карбида кремния (карборунд), нитрида бора.

Веществам с атомной кристаллической решёткой присущи следующие свойства:

• высокая твёрдость;

• высокие температуры плавления;

• нерастворимость в воде;

• нелетучесть;

• отсутствие запаха.

Ионную кристаллическую решётку образуют вещества с ионным типом связи — соли, щёлочи, бинарные соединения активных металлов с активными неметаллами (оксиды, галогениды, сульфиды), соли аммония. В узлах ионной решётки находятся ионы, между которыми действуют силы электростатического притяжения. Ионная связь отличается высокой прочностью. Ионную кристаллическую решётку имеют: NaCl, MgCl₂, NH₄Br, KNO₃, Li₂O, Na₃PO₄. Для всех нас это обычная поваренная соль.

Для веществ с ионной кристаллической решёткой характерны следующие свойства:

• твёрдость в сочетании с хрупкостью;

• высокие температуры плавления;

• нелетучесть;

• отсутствие запаха;

• многие растворяются в воде, диссоциируя при этом на катионы и анионы;

• электропроводность растворов и расплавов.

Металлическая решётка характерна для веществ с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся катионы металла, между которыми перемещаются электроны, образуя так называемый «электронный газ». «Электронный газ» движется между узлами решетки, обеспечивая её устойчивость. Металлическая решётка характерна для металлов и их сплавов. Свободно перемещающиеся электроны обусловливают характерные свойства веществ с металлической решёткой:

• тепло- и электропроводность;

• ковкость;

• пластичность;

• металлический блеск.

К ристаллические решётки имеют различные геометрические формы. Французский физик и основатель кристаллографии Огюст Браве после многих лет исследований разработал свою теорию о структуре кристаллов. В 1848 году Огюст Браве показал, что может быть только семь типов элементарной кристаллической решётки. Каждая из этих систем определяется своими осями: три размерных параметра (длина осей) и три угловых параметра (углы, образованные двумя осями). Условно abc являются длинами осей и α β и γ углами, образованными осями. Они размещены в пространстве следующим образом (Рис. 2).

Рис. 2. Оси и углы решёток

Каждая ячейка, представляющая систему, также имеет определенное количество симметрий. Эти симметрии бывают трех типов:

• центральной: точка является центром симметрии сетки;

• плоскости: плоскость является плоскостью симметрии сетки;

• осевой: поворот на определенный угол вокруг оси симметрии возвращает сетку в положение, идентичное исходному.

Симметрии имеют четыре порядка, с вращением на 180º, 120º, 90º и 60º.

Первое знакомство с кристаллическими решётками и их типами происходит в 8 классе. В 9 классе эта тема затрагивается при изучении аллотропных модификаций углерода. И, наконец, в 11 классе знания обобщаются и углубляются.

Завершая краткий теоретический обзор материала по теме исследования, я начинаю воплощать полученные знания по химии в моделировании. Для этого в программе «Компас-3D» моделирую:

• узлы кристаллической решётки с учётом симметрии и вращения на 180º, 120º, 90º и 60º

• элементы связей узлов (оси небольшого диаметра и произвольной длины, хотя естественно для них существуют определённые величины)

• таблички, обозначающие наглядное пособие.

1.2. Программа «Компас-3D»

«Ко́мпас» — семейство систем автоматизированного проектирования (САПР), универсальная система автоматизированного проектирования, позволяющая в оперативном режиме выпускать чертежи изделий, схемы, спецификации, таблицы, инструкции, расчётно-пояснительные записки, технические условия, текстовые и прочие документы. Разрабатывается российской компанией «Аскон». Первый выпуск «Компаса» (версия 1.0) состоялся в 1989г. Первая версия под Windows — «Компас 5.0» — вышла в 1997г. С 1992г. компания «Аскон» сотрудничает со школами. Образовательная политика АСКОН с 1996г.: в вузах активно применяется КОМПАС-График, для преподавания черчения в школах — КОМПАС-Школьник. 2000г. ознаменовался настоящим прорывом: КОМПАС-3D позволил создавать трехмерные модели деталей и передавать их в различные системы подготовки программ для станков с ЧПУ и в расчетные пакеты. С 2008г. после участия в национальном проекте «Образование» в школах России начинается установка системы трехмерного моделирования КОМПАС-3D. В 2011г. выходит первая некоммерческая версия программы «КОМПАС-3D Home». В том же году произошёл выход на международный уровень: открытие европейского представительства АСКОН в Мюнхене, ФРГ. В дальнейшем выпуск новых версий программ позволило компании «Аскон» всё больше завоёвывать рынок информационных технологий. В основе «КОМПАС-3D» лежит российское геометрическое ядро C3D (создано C3D Labs, дочерней компанией АСКОН) и собственные программные технологии, что позволяет заявить о полностью импортонезависимой системе. В рамках импортозамещения это программное обеспечение используют тысячи предприятий в России, Казахстане, Беларуси и Узбекистане. Важная особенность Компас 3D — возможность обмена информацией со всеми распространёнными аналогичными системами.

САПР «КОМПАС-3D» разработана для двухмерного и трёхмерного проектирования деталей, механизмов и конструкций любой сложности. Отрасли промышленности, в которых используется это ПО:

• строительство;

• производство товаров народного потребления;

• металлургическая промышленность;

• оборонная промышленность;

• станко-, приборо-, вагоно-, автомобилестроение.

• судо- и авиастроение.

Помимо этого, «КОМПАС-3D» применяется во всех отраслях машиностроения, включая энергетическое, сельскохозяйственное, производство электрооборудования.

Система поддерживает несколько видов 3D-моделирования. Я для изучения выбрал твердотельное – построение детали путём формообразующих и формоизменяющих операций: вращения, выдавливания, вырезов, скруглений, создания уклонов, фасок и т. д.

Итак, приступаем к главному – моделированию.

ГЛАВА II. Описание исследования и его результаты

2.1. Правила работы в программе «Компас-3D»

Создание объёмных фигур начинается с простого чертежа. В программе 3D-моделирования «Компас-3D» чертёж выполняется в режиме эскиза на плоскости и является типичным примером так называемого 2D-моделирования. Чертежи выполняются с помощью различных элементов линейной геометрии, программа содержит множество простых и сложных элементов и команд. Полученные эскизы являются контурами для формирования объёма. Выполненный чертёж в простом случае может являться основанием всей фигуры, как например квадрат для фигуры куба. В более сложных геометрических фигурах построение производится обычно последовательно и поэтапно. Сначала визуально (или для удобства где-нибудь на бумаге) сложная фигура разбивается на простые геометрические тела, построение которых возможно в рамках одного эскиза и одной операции формирования объёма. Затем последовательно создаются эскизы на плоскостях соприкосновения простых тел, снова формируется объём и т.д. Формирование объёма контуров эскизов и является 3D-моделированием. Основным методом формирования объёма является элемент выдавливания с его опциональными вариациями: линейный элемент выдавливания, элемент вращения и более сложные элементы по траектории и по сечениям. Кроме того, объёмное тело в общем случае можно формировать не только созданием объёма, но и его удалением, т.е. вырезанием. Например, в прямоугольном куске металла необходимо сделать в определённом месте вырез. Можно конечно последовательно создавая прямоугольники и придавая им объём, получить искомый результат. А можно просто создать один прямоугольный объёмный объект, определить положение выреза и одной командой этот вырез произвести. Для этих целей в «Компасе-3D» служит метод вырезания выдавливанием, с теми же опциями что и просто элемент выдавливания, с той лишь разницей указанный объём вырезается (удаляется) из уже имеющегося.

2.2. Конструирование элементов модели кристаллической решётки

Я поставил перед собой цель изучить основы 3D-моделирования и работы с программой «Компас-3D» и по возможности воплотить полученные знания в материальных объектах путём печати на 3D принтере. В поисках темы, вспомнилась народная поговорка: «Не доходит через голову, дойдёт через руки и ноги…». Применительно к изучению кристаллических решёток веществ на уроках химии, желательно не только видеть наглядные пособия отражающие тематику, но и иметь возможность собственными руками собрать любую модель решётки (ну хотя бы из простых, стандартных). Все модели, найденные в интернете, представляют собой разное количество узлов и осей-связей разной длины. Значит, моей задачей будет моделирование универсального узла решётки и осей разной длины. И для наглядности собранных решёток, как пособия, сделаю табличку.

Узлы.

Д ля учёта всех возможных углов вращения смоделирую два варианта узла кристаллической решётки с построением связей под углами кратными 45 и 60. Здесь и далее все размеры (за исключением углов) взяты произвольно, их целесообразность и совместимость проверены при печати и сборке модели кристаллической решётки железа (Рис. 3).

Рис. 3. Кристаллическая решётка железа

1. Открываем «Компас-3D», создаём эскиз и рисуем дугу R=15 мм (Рис. 4), затем с помощью основного метода моделирования объёмных тел – элемента выдавливания, а именно его частного случая – элемента вращения, создаём шар (Рис. 5).

2. Для сборки моделей необходимо сделать отверстия в шаре под заданным углом и во всех возможных вариантах, чтобы этот узел задействовать и в других моделях. В первом варианте углы кратны 45.

3 . Начинаем с основных отверстий идущих по осям xyz. Строим эскиз квадрата, который срежет шар в местах прохождения отверстий – это делается для удобства печати

Рис. 4. Эскиз дуги

Рис. 5. Элемент вращения

и сборки модели. Эскиз строится при помощи функции создания правильного многоугольника, которая находится на вкладке «многоугольник» при создании прямоугольника в разделе меню «геометрия» (Рис. 6).

Рис. 6. Эскиз квадрата

Рис. 7. Куб

4. Получаем куб элементом выдавливания (Рис. 7).

5. Куб симметрично срезает шесть круговых площадок, на одной из них строим эскиз и окружность Ø3,2 мм (Рис. 8).

Рис. 8. Эскиз окружности

Рис. 9. Сквозное отверстие

6. Получаем сквозное отверстие удалением объёма, используя команду «вырезать выдавливанием» (Рис. 9).

7. Для придания универсальности узлу кристаллической решётки сделаем отверстия со всех шести сторон или три сквозных. Используем команду «массив по сетке» (по концентрической сетке) из раздела меню «массив, копирование» (Рис. 10) и (Рис. 11).

Рис. 10. Вырезание массивом

Рис. 11. Отверстия массивом

8. Построены основные отверстия. Изучая теорию по теме и иллюстрации из интернета, я заметил наличие связей под углом 45. Эти отверстия будут располагаться симметрично на свободном месте между тремя соседними основными отверстиями. Для построения необходимо найти центр, которым станет центр правильного треугольника, либо окружности, построенные через центры трёх соседних основных отверстия.

9. Для эскиза окружности необходима плоскость, которая строится командой «смещённая плоскость» (вкладка плоскость через три точки) из раздела меню «вспомогательные объекты» (Рис. 12).

Рис. 12. Плоскость через три точки

Рис. 13. Эскиз отверстия

10. Далее строится эскиз отверстия (Рис. 13) и сквозное отверстие (Рис. 14).

Рис. 14. Сквозное отверстие

Рис. 15. Смещённая плоскость

11. Как и в случае с основными отверстиями срежем выпуклость шара в месте отверстия. Строим смещённую плоскость относительно плоскости через три точки (Рис. 15).

Рис. 16. Эскиз окружности

Рис. 17. Получение площадки среза

12. Как и ранее строим эскиз окружности на полученной плоскости (Рис. 16) и срезаем лишнее, получая площадку (Рис. 17).

Рис. 18. Получение площадки массивом

Рис. 19. Массив при создании отверстий

13. Строим площадку на другом конце вспомогательного отверстия с помощью массива по точкам (здесь точка – это центр второго отверстия) (Рис. 18).

14. Размножаем сквозные дополнительные отверстия вместе с площадками с помощью массива по концентрической сетке (Рис. 19).

15. На случай использования цилиндрических элементов связей без дополнительных упоров перед отверстиями, в центре полученного узла создадим небольшой шарик, служащий упором для связей с разных сторон, аналогично п.1 – создание эскиза дуги (Рис. 20) и получение шара вращением (Рис. 21).

Рис. 20. Эскиз дуги

Рис. 21. Шар внутри

Т.о., построен универсальный узел кристаллической решётки для связей, расположенных под углом с кратностью 45.

16. Повторяем п.1 построения узлов и получаем шарик. Второй вариант узла будет предназначаться для связей, расположенных под углом с кратностью 60.

17. Площадки среза будут только у двух отверстий центральной оси. Строим эскиз прямоугольника (Рис. 22) и вырезаем выдавливанием на глубину равную диаметру шара (Рис. 23).

Рис. 22. Эскиз прямоугольника

Рис. 23. Получение площадок

18. Строим на полученной площадке эскиз окружности (Рис. 24) и сквозное отверстие (Рис. 25) центральной оси.

Рис. 24. Эскиз окружности

Рис. 25. Сквозное отверстие

19. Строим на основной плоскости, параллельной полученной площадке, эскиз, включающий в себя вспомогательную ось через центр и точку пересечения этой оси с поверхностью шара (Рис. 26).

Рис. 26. Эскиз вспомогательной оси и точки

Рис. 27. Плоскость, касательная в точке

20. Для дальнейшего построения необходима плоскость, касательная к поверхности шара в только что построенной вспомогательной точке (Рис. 27).

21. На полученной поверхности строим как обычно эскиз окружности (Рис. 28) и сквозное отверстие (Рис. 29).

Рис. 28. Эскиз окружности

Рис. 29. Сквозное отверстие

22. Скругляем край полученного отверстия (Рис. 30).

Рис. 30. Скругление

Рис. 31. Сквозные отверстия массивом

23. Используя команду «массив по концентрической сетке», строим ещё два сквозных отверстия под углом 120 (Рис. 31), получается шесть отверстий под углом 60 в одной плоскости, которая в свою очередь перпендикулярна основной оси со своим сквозным отверстием. Этот частный вариант уже применим в некоторых кристаллических решётках, например графита (Рис. 32).

Рис. 32. Кристаллическая решётка графита

Рис. 33. Скругление

24. Для удобства монтажа скругляем края сквозного отверстия центральной оси (Рис. 33).

25. Построим ещё такой вариант: связи находятся под углом в 120 как друг к другу, так и к центральной оси. Дополним необходимыми отверстиями только что построенный узел.

26. Строим плоскости, содержащей центральную ось, эскиз, включающий в себя вспомогательную ось через центр под углом 30 и точку пересечения этой оси с поверхностью шара (Рис. 34) и снимаем линейный размер от полученной точки до плоскости, перпендикулярной центральной оси.

Рис. 34. Эскиз вспомогательной оси и точки

Рис. 35. Смещённая плоскость

27. Используя полученный размер, строим смещённую плоскость – плоскость параллельную основной плоскости, которая в свою очередь перпендикулярна центральной оси (Рис. 35). В результате получилась вспомогательная плоскость, которая послужит построению отверстий под нужным углом 120 (90+30 – перпендикуляр + дополнительное построение под углом 30). На полученной плоскости повторяем действия пп. 19-23, со смещением отверстий на 30. Скриншоты (Рис. 36-41) отображают всю цепочку построений, описание повторять смысла нет.

Рис. 38. Эскиз окружности Рис. 39. Отверстие до центра Р ис. 36. Эскиз вспомогательной оси и точки Рис. 37. Плоскость, касательная в точке

Рис. 40. Скругление

Рис. 41. Отверстия массивом

Небольшие замечания: здесь отверстия не сквозные, а только до центра, а массив круговой на шесть отверстий.

28. Также как и при построении первого универсального узла повторим п.15.

Примером применения построенного варианта может быть кристаллическая решётка алмаза (Рис. 42).

И так, построены два универсальных варианта узлов кристаллической решётки. Это были самые сложные построения. Далее я покажу построение некоторых вариантов связей и информационной таблички модели.

Рис. 42. Кристаллическая решётка алмаза

Связи.

Этот элемент моделей кристаллических решёток достаточно прост и представляет из себя цилиндрическую ось (Рис. 43). Для удобства сборки и простоты исполнения основная видимая часть осей-связей имеет диаметр чуть больше, чем небольшие участки на концах и служит упором при сборке.

Рис. 43. Связь в моделях кристаллических решёток

При работе над проектом из интернета был взят только внешний вид моделей, все размеры взяты произвольно и подогнаны в процессе моделирования и печати на 3D принтере. Исключение составляют углы симметрии.

1. Открываем «Компас-3D», создаём эскиз окружности Ø2,81 мм (Рис. 44) и выдавливанием на нужную длину связи, например 100 мм (Рис. 45).

Рис. 44. Эскиз окружности

Рис. 45. Получение нужной длины связи

2. Создаём эскиз утолщённой основной части (Рис. 46) и формируем её объём вращением (Рис. 47).

Рис. 46. Эскиз основной части связи

Рис. 47. Формирование объёма

1. Для удобства сборки снимаем фаски на концах полученной оси-связи (Рис. 48).

С вязь длинною 100 мм готова. Более короткая связь – 84,75 мм отличается только длинной, причём укорачивается (при необходимости удлиняется) основная утолщённая часть.

Рис. 48. Снятие фасок

Для подгонки размеров производилась пробная печать элементов модели кристаллической решётки железа (Рис. 3): длинная связь равна 100 мм, короткая – 84,75 мм. Условный коэффициент соотношения длин - 84.75/100=0,8475. На длинную связь пошло 0,46 м пластика и 7 мин времени. По короткой связи данные при печати совпадают с расчётными при использовании этого коэффициента. Поэтому предварительный расчёт для других связей будет прост.

Табличка.

Для удобства восприятия наглядного пособия, я решил снабдить модель кристаллической решётки табличкой.

Е стественно табличка не является обязательным компонентом моделей. В связи с ограничением объёма проекта я вынужден опустить словесное описание построения. Оставлю построение в виде цепочки скриншотов (Рис. 49) - (Рис. 61). Для тех кто в теме этого будет достаточно.

Рис. 49. Плоскость под углом 30 градусов

Рис. 50. Эскиз прямоугольника

Рис. 51. Создание объёма

Рис. 52. Скругление

Рис. 53. Эскиз для углового среза

Рис. 54. Низ таблички под углом

Рис. 55. Отрезок для надписи

Рис. 56. Ввод параметров

Рис. 57. Преобразование в сплайн

Рис. 58. Получение объёмной надписи

Рис. 61. Второй упор массивом Р ис. 59. Эскиз треугольника

Рис. 60. Придание объёма упору

Сборка.

Для получения дополнительных знаний по моделированию в программе «Компас-3D» я решил произвести сборку модели кристаллической решётки, например железа, средствами самой программы. Не буду расписывать подробно этот длительный и в то же время однообразный процесс, для которого используется всего два основных меню.

1. Создаём файл сборки – файл, название которого говорит само за себя. В нём более простые детали собираются в более сложные.

2. Первое основное меню – добавить компонент из файла из раздела компоненты (Рис. 62) – помогает добавлять в сборку все необходимые детали, как в нашем случае необходимое количество узлов и связей. Можно добавлять сразу все необходимые компоненты на рабочий стол или по мере необходимости.

Рис. 62. Добавление компонентов

3. Второе основное меню – совпадение из раздела размещения компонентов (Рис. 62) и (Рис. 63) – содержит большое количество вкладок с командами, позволяющими точно определить местоположение каждого компонента в сборке.

Рис. 63. Размещение компонентов

П опеременно используя команды размещения, выставляешь связи соосно с отверстиями в узлах, на нужном расстоянии, при необходимости параллельно. Узлы также взаимно выставляешь относительно друг друга и связей.

4. Для ускорения процесса и уменьшения количества операций здесь также задействуются команды меню массива по сетке из раздела массив, копирование, которые широко использовались при построении узлов. В результате получается модель кристаллической решётки железа в электронном виде (Рис. 64), которую можно также использовать в дальнейшем.

П одводя итог по последнему разделу можно сказать, что моделирование в программе «Компас-3D» может дать огромное количество качественных наглядных пособий в электронном виде для таких предметов, как химия, физика.

Рис. 64. Модель - сборка

2.3. Технологическая карта на изготовление элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D». Экономическое обоснование

Таблица 1. Технологическая карта на изготовление элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D»

Деталь / Параметры (на 1 ед.дет.)	Используемый пластик	Толщина оболочки детали (мм)	Скорость печати (мм/с)	Процент заполнения	Поддержка	Время печати
Узел*	PLA	0,60	42	50	нет	43 мин
Связь **	PLA	0,60	42	50	есть	7 мин
Табличка	PLA	0,60	42	50	нет	32 мин
ИТОГО							1 ч 22 мин

* данные по двум вариантам узлов мало отличаются друг от друга, взяты большие по значению

** приведены данные для связи длинной 100 мм, методика расчёта связей другой длины приведена в разделе конструирования

Определим себестоимость изделия по формуле: С = П + ОТ +Э, где

С – себестоимость изделия,

П - материальные затраты на пластик для печати элементов модели кристаллической решётки,

ОТ - отчисление на оплату труда,

Э - материальные затраты на стоимость электроэнергии.

Расход пластика и время печати на каждый элемент можно получить на этапе его подготовки (слайсинга) к печати. Я использовал Repetier-Host - программная оболочка по подготовке 3D-модели к печати. После обработки каждого элемента я могу знать время печати и расход пластика.

На каждую модель кристаллической решётки требуется разное количество узлов, связей (с разными длинами), и у меня была цель спроектировать элементы модели кристаллической решётки, а распечатать можно и потом сколько нужно. Исходя из этого расчёт всех затрат идёт на изготовление каждого элемента в количестве 1 шт.

Таблица 2. Материальные затраты на пластик для печати элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во пластика на 1 фигуру (м)	Кол-во фигур (шт.)	Стоимость 1 м пластика (руб.)	Стоимость пластика в расчете на 1 фигуру (руб.)	Полная стоимость фигур (руб.)
1	Узел	3,5	1	4,46	15,61	15,61
2	Связь	0,46	1	4,46	2,05	2,05
3	Табличка	2,1	1	4,46	9,37	9,37
ИТОГО		6,06	-	4,46	27,03	27,03

Расходы на оплату труда по созданию элементов модели кристаллической решётки: 1кг пластика – 315 м, 1000: 315 = 3,17 (г) – весит 1 м.

Оплата труда по созданию изделия весом 1 г - 50 рублей (по предложениям сайтов фирм, предоставляющих индивидуальные услуги по конструированию и печати 3D- изделий). Оплата труда по 3D - печати уже готовых (в электронном виде) изделий весом 1г – 7 рублей (по предложениям сайтов фирм, предоставляющих услуги по печати 3D- изделий).

Таблица 3. Материальные затраты на оплату труда по созданию элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во пластика на 1 фигуру (м)		Вес 1м пластика (г)		Вес 1 фигуры (г)		Стоимость труда по созданию изделия весом 1 г (руб.)		Стоимость труда по созданию изделия (руб.)		Кол-во копий фигур для печати (шт.)		Стоимость труда по печати изделия весом 1 г (руб.)		Стоимость печати копий		Полная стоимость фигур (руб.)
1	Узел	3,5		3,17		11,1		50		555		1		7		77,7		632,7
2	Связь	0,46		3,17		1,46		50		73		1		7		10,22		83,22
3	Табличка	2,1		3,17		6,66		50		333		1		7		46,62		379,62
ИТОГО			6,06		3,17		19,22		50		961		-		7		134,54		1095,54

Стоимость 1 кВт электроэнергии 4,72 руб., потребляемая мощность 3D-принтера 300Вт/час, 5 Вт/мин, 0,083 Вт/с

Таблица 4. Материальные затраты на стоимость электроэнергии для печати элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D

№ п/п	Наименование фигуры	Время печати	Кол-во потребленной энергии (кВт)	Стоимость 1 кВт (руб.)	Стоимость электроэнергии для печати 1 фигуры (руб.)	Кол-во фигур (шт.)	Стоимость электроэнергии для печати всех фигуры (руб.)
1	Узел	43 мин	0,215	4,72	1,02	1	1,02
2	Связь	7 мин	0,035	4,72	0,17	1	0,17
3	Табличка	32 мин	0,16	4,72	0,76	1	0,76
Итого		1 ч 22 мин	0,41	4,72	-	3	1,95

Таблица 5. Себестоимость изделия для печати элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во фигур (шт.)	Стоимость пластика в расчете на все фигуры (руб.)	Стоимость труда по созданию и печати (руб.)	Стоимость электроэнергии для печати всех фигур (руб.)	Себестоимость изделия (руб.)
1	Узел	1	15,61	632,7	1,02	649,33
2	Связь	1	2,05	83,22	0,17	85,44
3	Табличка	1	9,37	379,62	0,76	389,75
Итого		3	27,03	1095,54	1,95	1124,52

Проанализировав материальные затраты, можно сделать вывод, что стоимость сырья приемлемая, разориться на электроэнергии при 3D-печати достаточно сложно. Себестоимость печати моделей на 97,4 % определяется стоимостью затрат на оплату труда по созданию элементов модели кристаллической решётки с использованием программы «Компас-3D». Но, поскольку я конструировали всё сам и печатал на школьном 3D-принтере, используя школьное программное обеспечение и компьютер, то можно сказать, что элементы модели кристаллической решётки имеют достаточно бюджетную стоимость – 28,98 руб.

Сравнительный анализ цен

Теперь окунёмся в мир интернета и посмотрим на всё что я сделал с чисто прагматической, финансовой стороны. Ниже я подсчитаю стоимость изделий, которые можно собрать из созданных мною элементов моделей кристаллической решётки и приведу найденные мною предложения магазинов по продаже демонстрационных моделей кристаллических решёток веществ в сравнении.

Таблица 1. Себестоимость моделей кристаллических решёток

№ п/п	Наименование элемента / вещества	Количество элементов				Стоимость пластика в расчете на все элементы (руб.)						Стоимость электроэнергии для печати всех элементов (руб.)							Себестоимость изделия (руб.)
		железо	алмаз	графен	железо		алмаз		графен		железо		алмаз		графен		железо			алмаз		графен
1	Узел	9	14	16	140,49		218,54		249,76		9,18		14,28		16,32		149,67			232,82		266,08
2	Связь длинная	8	-	-	16,4		-		-		1,36		-		-		17,76			-		-
3	Связь короткая	4	16	19	6,96		24,84		33,06		0,56		2,24		2,66		7,52			27,08		35,72
Итого						163,85		243,38		282,82		11,1		16,52		18,98		174,95			259,9		301,8

Таблица 2. Сравнительный анализ стоимости моделей кристаллических решёток

№ п/п	Наименование вещества	Внешний вид покупаемого изделия	Стоимость в магазинах (средняя) (руб.)	Внешний вид моего изделия	Стоимость моего изделия (руб.)
1	железо		2069		174,95
2	алмаз		1490		259,9
3	графен		2241		301,8

«Цифры говорят сами за себя» - этот афоризм описывает данную ситуацию. Кроме того, мои элементы моделей кристаллических решёток универсальны и при распечатке необходимого количества могут быть использованы для сборки моделей кристаллических решёток других веществ. Продаваемые демонстрационные модели далеко не всегда универсальны, имеют разную цветовую гамму и между собой не совместимы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работая над проектом, я продолжил изучать основы 3D-моделирования и работы с программой «Компас-3D». Спроектировал и распечатал универсальные элементы моделей кристаллических решёток, из которых собрал три наглядных пособия для уроков химии. Таким образом цель моего исследования достигнута.

Решены поставленные задачи:

• Познакомился с понятием кристаллической решётки веществ и её значением на уроках химии

• Сконструировал трехмерные модели элементов наглядных пособий кристаллических решёток ряда веществ с использованием программы «Компас-3D»

• Напечатал на 3D-принтере элементы наглядных пособий кристаллических решёток ряда веществ

• Провел экономическое обоснование на изготовление моделей кристаллических решёток веществ с использованием программы «Компас-3D».

Подводя итог, могу с уверенностью сказать, что достоинства трехмерных технологий довольно ощутимы. Технологии 3D-печати дают большие возможности для воплощения самых смелых идей. Одним из важных преимуществ 3D-печати является экономия времени и средств при производстве объектов различной сложности по сравнению с традиционными способами.

Исходя из собственного опыта, занятия 3D-моделированием очень рекомендую школьникам. Так как 3D технологии хорошо активизируют левое полушарие мозга, ответственное за пространственную ориентацию, интуицию и творческие способности человека.

Сам в будущем планирую учиться и развиваться в направлении 3D-моделирования. В ближайшее время изучу основы анимации (создания движущихся изображений в трехмерной цифровой среде).

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Самоучитель КОМПАС-3D V20 / А.И. Герасимов. — Санкт-Петербург: BHV-СПб, 2022. — 656 с.

2. КОМПАС-3D для школьников. Черчение и компьютерная графика. Учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений / Баранова И.В. — М.: ДМК Пресс, 2009. — 272 с.

3. Проектирование в системе КОМПАС: учеб. пособие для студентов технических специальностей / Н.И. Жарков, А.И. Вилькоцкий, О.В. Ярошевич. — Минск: БГТУ, 2006. — 148 с.

4. https://ascon.ru Сайт фирмы АСКОН.

5. Что такое 3д моделирование, или как мечты превратить в реальность. Электронный ресурс. Режим доступа: https://websoftex.ru/3d-modelirovanie-chto-eto-i-dlya-chego-nuzhno/

6. [Электронный ресурс]. – URL: http://all-flesh.ru/story/3d-modelirovanie-v-21-vek

7. [Электронный ресурс]. – URL: https://urok.1sept.ru/

8. [Электронный ресурс]. – URL: https://3dtoday.ru/blogs/3Dtool/help-a-lot-of-beginners-repetierhost-first-steps-part-1

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Проектирование и печать моделей кристаллических решёток веществ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Модели кристаллических решёток веществ